CC BY
43
УДК 53.087:621.385.69
Ю.О. ЛЕБЕДЕНКО, А.А. ОМЕЛЬЧУК, ВС КРАЙНОВ
Херсонський нацюнальний технiчний унiверситет
ПРОТИД1Я ВПЛИВУ ВИСОКОЧАСТОТНОГО ВИПРОМ1НЮВАННЯ НА ПРИЛАДИ ОБЛ1КУ ЕЛЕКТРИЧНО1 ЕНЕРГП
Стаття присвячена розробц системи захисту електронних nprnadie облжу електрично'1' енерги eid негативного впливу високочастотного випромтювання. Розглядаються pi3Hi методи захисту eid впливу електромагнтних хвиль. Порiвнюeться ефективтсть екранування i активних систем захисту вiд високочастотного випромтювання. Розробляеться структурна схема автоматичноi системи захисту електронних лiчильникiв. Аналiзуються вразливостi розробленоi системи i можливостi ii подальшого вдосконалення.
Ключовi слова: лiчильник електроенерги] високочастотне випромiнювання, екранування, захист електронних приладiв.
Ю.А. ЛЕБЕДЕНКО, А.А. ОМЕЛЬЧУК, В.Е. КРАЙНОВ
Херсонский национальный технический университет
ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ ВЛИЯНИЮ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРИБОРЫ УЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Статья посвящена разработке системы защиты электронных приборов учета электрической энергии от негативного воздействия высокочастотного излучения. Рассматриваются различные методы защиты от воздействия электромагнитных волн. Сравнивается эффективность экранирования и активных систем защиты от высокочастотного излучения. Разрабатывается структурная схема автоматической системы защиты электронных счетчиков. Анализируются уязвимости разработанной системы и возможности ее дальнейшего совершенствования.
Ключевые слова: счетчик электроэнергии, высокочастотное излучение, экранирование, защита электронных приборов.
Y.O. LEBEDENKO, A.A. OMELCHUK, V.E. KRAINOV
Kherson national technical university
OPPOSITION TO THE EFFECT OF HIGH-FREQUENCY RADIATION ON THE ACCOUNTING
DEVICES OF ELECTRIC ENERGY
The article is devoted to developing the protection of electronic electricity meters from the negative impact of high-frequency radiation. Various methods of protection against the effects of electromagnetic waves are considered. Efficiency of electromagnetic shielding and active systems of high-frequency radiation is compared. Structural scheme of an automatic protection system of electronic meters is developed. Vulnerability of the developed system and the possibility of its further improvement are analyzed.
Keywords: electricity meter, high-frequency radiation, electromagnetic shielding, protection of electronic
devices.
Постановка проблеми
Запобтання впливу електромагттних хвиль необхвдне на сьогодт не тшьки з точки зору еколопчно! безпеки, але i як зааб захисту певного об'екту вщ витоку або спотворення шформацп. Окр1м сукупносп електромагнггних полiв, поява яких викликана природними явищами i все б№шим розповсюдженням рГзномаштно! техшки, Гснують i так електромагштш поля, яш були цшеспрямовано утворенГ для нанесення шкоди об'ектам господарства або бюлопчним об'ектам. Одним з рГзновидГв таких протиправних дГй, е вплив високочастотним випромшюванням на електроннi пристро! облжу електроенерги [1]. Опромiнення лiчильника перешкоджае його нормальнiй ро6отГ, викликаючи його фактичну зупинку або недооблiк спожито! електрично! енерги.
Аналiз публiкацiй за темою дослвдження
ПротидГяти впливу електромагштних хвиль високо! частоти можливо двома шляхами: перший -пасивний захист прилащв, що базуеться на використант екранування, а другий - активний захист, який передбачае використання детектора високочастотного випромтювання.
Теоретичне рiшення задачi екранування та визначення значень напруженосп полГв в загальному випадку е надзвичайно складним завданням. Теоретичнi та експериментальт дослiдження ряду авторiв показали, що форма екрана мае незначний вплив на його ефектившсть [2]. Головним фактором, що визначае яшсть екрану, е радiофiзичнi властивостi матерiалу i конструкцГйнГ осо6ливостГ. Це дозволяе при розрахунку ефективностi екрану в реальних умовах користуватися найпростiшим його представлениям: сфера, цилшдр
або плоский паралельний лист. Така замша реально! конструкцп не призводить до скшьки-небудь значних вщхилень реально! ефективносл вiд розрахунково!, так як основною причиною, що обмежуе досягнення високих значень ефективносп екранування е наявнiсть в екрат технологiчних отворiв (пристро! введення-виведення, вентиляцiя тощо).
Для детектування i дослiдження ВЧ випромiнювання iснуе чимало пристро!в рiзно!' конструкцi!, однак, вони здебшьшого дорогi i мало пристосоваш для задач захисту пристро!в обл^ електроенергп [3,4].
Слад окремо зазначити, що рiзнi типи електронних лiчильникiв мають неоднакову вразливiсть до випромшювання через рiзну елементну базу та неподiбне розмiщення елементiв на друкованш платi. Тобто доцiльним е врахування можливостi впливу значного радiочастотного випромiнювання вже на етапi проектування пристрою облшу, з метою зменшення дп випромiнювання на найбiльш чутливi дшянки схеми.
Формулювання мети дослiдження
Метою дослвдження е розробка системи протиди впливу високочастотного випромiнювання на електроприлади. Система повинна забезпечувати пасивний та активний захист обладнання, а також мати функци детектування шкодливого впливу ВЧ випромшювання ^ вiдповiдно, функци сигналiзацi! про наявшсть небажаного впливу.
Основна частина
Традицшним методом захисту радiоелектронно! апаратури вiд дi! високочастотного випромiнювання е екранування. Причому екрануванню можуть тдлягати як пристро! в цiлому, так i його частини, найбiльш вразливi до дi! випромiнювання. В особливих випадках може бути застосоване екранування примщень, що дозволяе вирiшувати також задачi захисту iнформацi! в примщеннях i технiчних каналах, забезпечувати електромагнггну сумiснiсть обладнання та приладiв при !х спiльному використаннi, а також захист персоналу вщ пвдвищеного рiвня електромагнiтних полiв i забезпечення сприятливо! екологiчно!' обстановки навколо дiючих електроустановок та НВЧ-пристро!в [5].
Пiд екрануванням в загальному випадку розумiеться як захист приладiв ввд впливу зовтштх полiв, так i локалiзацiя випромшювання будь-яких засобiв, що перешкоджае прояву цих випромiнювань у навколишньому середовищ^ У будь-якому випадку ефективнiсть екранування - це ступiнь ослаблення складових поля (електрично! або магнiтно!), що визначаеться як ввдношення дшчих значень напруженосп полiв в данiй точщ простору при вiдсутностi i наявносп екрану. Так як вiдношення цих величин досягае великих значень, то зручшше користуватися логарифмiчним представлениям ефективносп екранування:
Е Н
КЕ _ 20• 1§-°, Кн _ 20• 1§-°, (1)
Е1 Н1
де Ке - коефщент ослаблення (екранування) за електричною складовою, Кн - коефiцiент ослаблення (екранування) за магштною складовою, Е° (Н°) - напруженiсть електрично! (магштно!) складово! поля в умовах ввдсутносп екрану, Е1 (Н1) - напруженють електрично! (магнiтно!) складово! поля при наявносп екрану в тш же точцi простору.
Плоский паралельний екран в електромагнiтному випадку можна характеризувати нормальним iмпедансом матерiалу екрану, який визначаеться як ввдношення тангенщальних складових електричного i магнiтного полiв. Коефiцiент проходження через шар являе собою ефективнють екранування, так як дорiвнюе вiдношенню амплiтуд хвилi, яка вже пройшла екран, i хвил^ яка тiльки падае на нього. Якщо середовищем по обидва боки екрану е вакуум, то коефщент проходження В можна представити у виглядi
47
В__т
7т _\^т , (3)
2п I— А0
(4)
де ^о - довжина хвилi у втному просторi, а £т i цт - ввдносш дiелектрична i магттна проникностi матерiалу екрану.
У загальному випадку при комплексних дiелектричнiй i магнiтнiй проникностях матерiалу теоретичний анатз наведеного виразу вкрай складний, тому бшьшсть дослвднишв вдаеться до роздшьного розгляду ефективностi екранування - по поглинанню та ввдображенню падаючо! хвилi екраном.
Оскшьки аналогично оцшити ефективносп екранування 1з загально! формули коефщента проходження для плоского паралельного несшнченного екрану в загальному випадку важко, може бути використаний бшьш простий, наближений анал1з, заснований на представлент ефективносп екрану як суми окремих складових:
де Кпогл - ефектившсть екранування внаслвдок поглинання екраном електрично! енергп, Квд -ефектившсть екранування за допомогою вщбивання електромагштно! хвил екраном, Kн - поправочний коефщент, що враховуе багаторазов! внутршш ввдбивання хвил1 ввд поверхонь екрану.
Якщо втрата енергп хвил1 в екраш, тобто 11 поглинання, перевищуе 10 дБ, то останшм коефщентом в наведеному вираз1 можна знехтувати. Ефектившсть екранування внаслвдок поглинання енергп в товщ1 екрану можна розрахувати з простого сшввщношення (6), отриманого на основ! представлення електрично! 1 магштно! складових поля в матер1ал1, на поверхн якого виконуються граничш умови Леонтовича
1з зростанням частоти хвил1, вплив вихрових струм1в на загальну ефектившсть екранування зростае, а глибина проникнення цих струм1в в товщу матер1алу клики експоненцшно зменшуеться за рахунок поверхневого ефекту. Внаслвдок цього, на високих частотах (бшьше 10 МГц) товщина екрану втрачае свою актуальшсть, оск1льки гасшня вщбуваеться лише в тонкому поверхневому шар! матер1алу клики. Величина магнино! проникносп матер1алу !з зростанням частоти хвил1 також втрачае важливють.
Таким чином, для дослщжуваних генератор1в ефективними е сущлът екрани з матер1алу з низьким опором, причому товщина та магнпна проникшсть його не мають ютотного значення.
Проведен дослщження показали, що екранування не забезпечуе повний захист ввд ди електромагниного високочастотного випром1нювання, але може бути застосоване у комплекс! з шшими методами. Ефектившсть екранування л1чильник1в електрично! енергп е обмеженою через наявшсть незахищених екраном д1лянок 1 отвор1в, через яш здшснюеться шдключення л1чильника. Окр1м того, значним е непрямий вплив через кола живлення, вввдн дроти та дроти навантаження, що йдуть до споживача.
Для визначення найбшьш вразливих дшянок та елеменпв схеми пристрою обл1ку, було виконано експериментальн! дослщження за допомогою цифрового осцилографа та були проанал1зоваш електричн процеси в р1зних приладах облшу в нормальних режимах та при дп високочастотного електромагниного випром1нювання.
Встановлено, що при ди високочастотного випромшювання в електричних схемах л!чильнишв виникають перешкоди, яш наводяться на паразитних !ндуктивностях дор1жок друкованих плат. Найб1льш вразливим мюцем л1чильника виявились кола синхрошзацп, що мютять кварцовий резонатор та конденсатори ф1льтра. Зазначен перешкоди виникають у схемах вах прилад1в облшу, що дослвджувалися, проте р1вень цих перешкод у одних л1чильнишв дещо менший, шж у шших.
Д1я високочастотних перешкод призводить до зриву синхрошзацп мжросхем-л!чильнишв прилад1в облшу та перюдичного переводу !х до початкового стану [6].
Осцилограми кола синхрошзацп пристрою облшу без стороншх вплив1в та шд д1ею випром1нювання наведено на рис. 1 та рис. 2 вщповвдно.
Кпогл + Кв1д + Kн.вiд ,
(5)
Кпогл = 8,7^П-f-^п .
(6)
Е>
е = 3.57937МНг
СН1- 500ти
М100П5
СН1У1.30У
М РОЗ 10,00 МБ
Рис. 1. Осцилограма сигналу синхротзаци без впливу високочастотного випромшювання
I ^учлллллллО^ЛЛЛЛЛЛЛ/^ I
0 = 140.581 МНг
СН1- 500ти
М 100П5
М Ро5:0.00М5
СН1 У1.30У
Рис. 2. Осцилограма сигналу синхрошзаци п1д впливом випром1нювання в стат повноК зупинки
Для фгксаци факту впливу дп випромiнювання можливо застосування спецiальних електронних засобiв. Електронний засiб для фiксацi! факту впливу електромагштного випромiнювання повинен задовольняти наступним вимогам:
- забезпечувати високу чутливють до електромагнiтного випромiнювання у широкому дiапазонi частот;
- мати невисоку вартiсть;
- максимально ускладнювати можливють зовнiшнього втручання в роботу пристрою. Електронний зааб призначений для встановлення у безпосереднш близькостi до пристрою облшу з
метою визначення факту впливу електромагштного випромшювання на його роботу. Реакщею на дш випромiнювання може бути згасання iндикаторно! лампи та/або спрацьовування реле, яке може бути використане для управлiння силовими колами живлення споживача.
Засiб представляе собою широкополосний детектор електромагнiтного випромiнювання з релейним виходом, до якого тд'еднане коло фiксацi! та iндикацi! стану.
Структурну схему електронного засобу для фшсацп факту впливу електромагнггаого випромiнювання наведено на рис. 3.
Рис. 3. Структурна схема засобу для фжсацц та запоб1гання електромагштного випромшювання поруч з електронним
пристросм обл1ку
Засiб складаеться iз блока живлення, детектора випромшювання, схеми порiвняння, ключа, вихвдного реле та схеми фшсаци.
При впливi високочастотного випромiнювання в колi детектора виникае перешкода. На входi блоку порiвняння формуеться негативна напруга, вихiд компаратора розмикаеться, вмикаеться комутацшний пристрiй, контакти можуть бути задiянi для комутацi! силових шл електропостачання споживача (наприклад, для керування пускачем, що вимикае навантаження у разi спроби втручання в роботу пристрою облшу).
Проведенi дослщження показали високу ефективнiсть розробленого засобу. Спрацьовування вщбуваеться при тих самих умовах, при яких спостерiгаються порушення в роботi пристро!в облiку. Зокрема, зааб спрацьовуе як у разi впливу на пристрiй облiку за радюканалом, так i при непрямому впливi за дротами живлення навантаження споживача.
2353234848482348234823482353235323532353
Висновки 1 перспективи подальших дослвджень
Виявлено, що зменшення впливу випромiнювання на найбiльш чутливi дшянки схеми можливе при врахуваннi можливосп впливу значного радiочастотного випромiнювання на еташ проектування пристрою облiку, зокрема:
- застосування сучасно! та б№ш досконало! елементно! бази;
- при компонування друковано! плати необхвдно забезпечити розташування чутливих до випромiнювання елеменпв схеми в серединi плати (зокрема багатошарово!), забезпечуючи при цьому екранування лiнiями та полiгонами, приеднаними до кола землi сигнальних к1л;
- застосування фшьтрш за колами живлення схеми лiчильника;
- скорочення довжини друкованих проводников плати лiчильника (в першу чергу к1л синхрошзацп мшросхеми лiчильника) для зменшення !х паразитних iндуктивностей та опорiв за рахунок використання щiльного монтажу з використанням SMD-компонентiв;
- скорочення довжини чутливих до випромшювання елеменпв схеми, розташування !х (зокрема фiльтруючих конденсаторiв, що приеднуються до кварцового резонатора), у безпосереднш близькостi до виводiв мшросхеми лiчильника.
Доведено, що екранування не забезпечуе повний захист вiд ди електромагнiтного високочастотного випромiнювання, але може бути застосоване у комплексi з шшими методами. Низька ефективнiсть екранування пояснюеться:
- неможливютю повного екранування пристрою облшу через необхiднiсть шд'еднання електричних лшш;
- неможливiстю виключення за допомогою екранування непрямого впливу на пристрш облшу через кола живлення, вввдш дроти та дроти навантаження, що йдуть до споживача.
Розроблено електронний зааб, що встановлюеться у безпосереднш близькосп до пристрою облiку та дозволяе фшсувати факт впливу електромагштного випромшювання високо! частоти. Факт впливу вщзначаеться вiдсутнiстю свiтiння iндикаторно! неоново! лампи, е можливють реалiзацi! вимикання споживача вiд мереж1 при наявносл високочастотного впливу. Спрацьовування засобу вщбуваеться при тих самих умовах, при яких спостерiгаються порушення в робот пристро!в облiку (зокрема, при непрямому впливi за дротами живлення навантаження споживача).
Список використаноТ лiтератури
1. Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. - Л.: Энергия, 1975. - 109с.
2. Дмит^ев В. О. Проблеми проведения експертних дослщжень електронних приладiв i систем облшу електрично! енергй' / В. О. Дми^ев, В. В. Хоша, В. Г. НЫтюк, О. I. Нетреба // Теорiя та практика судово! експертизи i кримiналiстики. - 2011. - Вип. 11. - С. 677-684.
3. Пат. № 2049339, Российская Федерация, МПК G01R29/08. Детектор СВЧ-поля / Герзанич Ю.Э.; Герзанич В.Ю.; заявитель и патентовладелец Холдинговая промышленно-финансовая компания "Старая Москва". - № 93055768/09; заявл. 24.12.1993; опубл. 27.11.1995.
4. Пат. № 2485670, Российская Федерация, МПК G01R29/08. Индикатор поля СВЧ излучения / Васильев В.А., Головин Р.С., Жукель А.А.; заявитель и патентовладелец - Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ; заявл. 08.11.2011; опубл. 20.06.2013.
5. Шпильовий В.С. Захист шформацп методом екранування примщення / В.С. Шпильовий, Д.О. Шутий // 1нформацшна безпека Укра!ни: Зб. наук. доп. та тез науково-техшчно! конференци; м. Ки!в, 21-22 квггня 2016 р., Ки!вський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка - К.: Ки!вський нацiональний ушверситет iменi Тараса Шевченка, 2016. С - 48-49.
6. Ключник А.В. Исследование стойкости интегральных микросхем в электромагнитных полях импульсного радиоизлучения / А.В. Ключник, Ю.А. Пирогов, А.В. Солодов // РиЭ, 2011, т. 56, № 3, с.375-378.
